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氢能,现代能源体系新密码
时间:2022-05-06 来源:中国电器工业协会 访问量:390
 

中国石化琼海银丰撬装加氢站。新华社发

光明图片/视觉中国

光明图片/视觉中国

氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源,能帮助可再生能源大规模消纳,实现电网大规模调峰和跨季节、跨地域储能,加速推进工业、建筑、交通等领域的低碳化。我国具有良好的制氢基础与大规模的应用市场,发展氢能优势显著。加快氢能产业发展是助力我国实现碳达峰碳中和目标的重要路径。日前,国家发展改革委、国家能源局联合印发了《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》。氢能的开发与利用正在引发一场深刻的能源革命,氢能成为破解能源危机,构建清洁低碳、安全高效现代能源体系的新密码。

能源危机开启了氢能开发和利用的探索之路

氢能作为一种替代能源进入人们的视野还要追溯到20世纪70年代。其时,中东战争引发了全球的石油危机,美国为了摆脱对进口石油的依赖,首次提出“氢经济”概念,认为未来氢气能够取代石油成为支撑全球交通的主要能源。1960年至2000年,作为氢能利用重要工具的燃料电池获得飞速发展,在航天航空、发电以及交通领域的应用实践充分证明了氢能作为二次能源的可行性。氢能产业在2010年前后进入低潮期。但2014年丰田公司“未来”燃料电池汽车的发布引发了又一次氢能热潮。随后,多国先后发布了氢能发展战略路线,主要围绕发电及交通领域推动氢能及燃料电池产业发展;欧盟于2020年发布了《欧盟氢能战略》,旨在推动氢能在工业、交通、发电等全领域应用;2020年美国发布《氢能计划发展规划》,制定多项关键技术经济指标,期望成为氢能产业链中的市场领导者。至此,占全球经济总量75%的国家均已推出氢能发展政策,积极推动氢能发展。

我国氢能产业和发达国家相比仍处于发展初级阶段。近年来,我国对氢能行业的重视不断提高。2019年3月,氢能首次被写入《政府工作报告》,在公共领域加快充电、加氢等设施建设;2020年4月,《中华人民共和国能源法(征求意见稿)》拟将氢能列入能源范畴;2020年9月,财政部、工业和信息化部等五部门联合开展燃料电池汽车示范应用,对符合条件的城市群开展燃料电池汽车关键核心技术产业化攻关和示范应用给予奖励;2021年10月,中共中央、国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》,统筹推进氢能“制—储—输—用”全链条发展;2022年3月,国家发展和改革委员会发布《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》,氢能被确定为未来国家能源体系的重要组成部分和用能终端实现绿色低碳转型的重要载体,氢能产业被确定为战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。

近年来,我国氢能产业发展迅速,基本涵盖了氢气制—储—输—用全链条。

氢能产业链的上游为制氢,我国是世界第一产氢大国,氢气产能约3300万吨。根据制取过程的碳排放强度,氢被分为“灰氢”“蓝氢”和“绿氢”。灰氢是指通过化石燃料燃烧产生的氢气,在生产过程中会有大量二氧化碳排放;蓝氢是在灰氢的基础上,应用碳捕集和封存技术,实现低碳制氢;绿氢是通过太阳能、风力等可再生能源发电进行电解水制氢,在制氢过程中没有碳排放。目前,我国氢气制取以煤制氢方式为主,占比约80%。未来,随着可再生能源发电成本持续降低,绿氢占比将逐年上升,预计2050年将达到70%。

氢能产业链的中游是氢储运,高压气态储运技术已商业化,是最为广泛的氢能储运方式。长管拖车运输灵活性高,适用于短距离、小体量输氢;液氢存储和固态储氢无需压力容器,运输便捷,是未来实现大规模氢能储运的方向。

氢能产业链下游为氢的综合应用,氢气作为一种工业原料可广泛应用于石油、化工、冶金、电子、医疗等领域,此外,氢气还可通过氢燃料电池或氢内燃机转化为电能和热能,可覆盖社会生产生活的方方面面。到2060年,我国氢能需求预计达1.3亿吨,其中工业需求占主导地位,占比约60%,交通运输领域将逐年扩大规模达到31%。

氢能的开发与利用正在引发一场深刻的能源革命

氢能在交通、工业、建筑和电力等诸多领域均有广阔应用前景。

在交通领域,公路长途运输、铁路、航空及航运将氢能视为减少碳排放的重要燃料之一。现阶段我国主要以氢燃料电池客车和重卡为主,数量超过6000辆。在相应配套基础设施方面,我国已累计建成加氢站超过250座,约占全球数量的40%,居世界第一。根据北京冬奥组委公布的数据,本届冬奥会示范运行超1000辆氢燃料电池汽车,并配备30余个加氢站,是全球最大规模的一次燃料电池汽车示范应用。

目前我国氢能应用占比最大的领域是工业领域。氢能除了具有能源燃料属性外,还是重要的工业原料。氢气可代替焦炭和天然气作为还原剂,可以消除炼铁和炼钢过程中的绝大部分碳排放。利用可再生能源电力电解水制氢,然后合成氨、甲醇等化工产品,有利于化工领域大幅度降碳减排。

氢能与建筑融合,是近年兴起的一种绿色建筑新理念。建筑领域需要消耗大量的电能和热能,已与交通领域、工业领域并列为我国三大“耗能大户”。利用氢燃料电池纯发电效率仅约为50%,而通过热电联产方式的综合效率可达85%——氢燃料电池在为建筑发电的同时,余热可回收用于供暖和热水。在氢气运输至建筑终端方面,可借助较为完善的家庭天然气管网,以小于20%的比例将氢气掺入天然气,并运输至千家万户。据估计,2050年全球10%的建筑供热和8%的建筑供能将由氢气提供,每年可减排7亿吨二氧化碳。

在电力领域,因可再生能源具有不稳定性,通过电—氢—电的转化方式,氢能可成为一种新型的储能形式。在用电低谷期,利用富余的可再生能源电力电解水制取氢气,并以高压气态、低温液态、有机液态或固态材料等形式储存下来;在用电高峰期,再将储存的氢通过燃料电池或氢气透平装置进行发电,并入公共电网。而氢储能的存储规模更大,可达百万千瓦级,存储时间更长,可根据太阳能、风能、水资源等产出差异实现季节性存储。2019年8月,我国首个兆瓦级氢储能项目在安徽六安落地,并于2022年成功实现并网发电。

同时,电氢耦合,也将在我国构建现代能源体系中发挥重要作用。

从清洁低碳角度看,大规模电气化是我国多个领域实现降碳的有力抓手,例如交通领域的电动汽车替代燃油汽车,建筑领域的电采暖取代传统锅炉采暖等。然而,仍有部分行业是难以通过直接电气化实现降碳的,最为困难的行业包括钢铁、化工、公路运输、航运和航空等。氢能具有能源燃料和工业原料双重属性,可以在上述难以深度脱碳的领域发挥重要作用。

从安全高效角度看,首先,氢能可以促进更高份额的可再生能源发展,有效减少我国对油气的进口依存度;其次,氢能可以进行化学储能和运输,实现能源的时空转移,促进我国能源供应和消费的区域平衡;此外,随着可再生能源电力成本的降低,绿色电能和绿色氢能的经济性将得到提升,被大众广泛接纳和使用;氢能与电能作为能源枢纽,更容易耦合热能、冷能、燃料等多种能源,共同建立互联互通的现代能源网络,形成极具韧性的能源供应体系,提高能源供应体系的效率、经济性和安全性。

我国氢能产业发展依然面临挑战

低成本低排放绿氢制取是氢能产业面临的重要挑战之一。在不新增碳排放的前提下,解决氢的来源问题是氢能产业发展的前提。化石能源制氢和工业副产制氢工艺成熟、成本较低,短期仍将是主要氢源。但化石能源储量有限,且制氢过程仍存在碳排放问题;工业副产制氢产量有限且供应辐射路程短。

长远来看,电解水制氢易与可再生能源结合,规模潜力更大,更加清洁可持续,是最有潜力的绿氢供应方式。目前我国碱性电解技术已与国际水平相接近,是目前商用电解领域的主流技术,但未来降本空间有限。质子交换膜电解水制氢目前成本较高,关键装置的国产化程度正在逐年提升。固体氧化物电解在国际接近商业化,但国内仍处于追赶阶段。

我国氢能产业链供应体系尚不完备,距离大规模商业化应用还有差距。我国已建成加氢站200余座,且以35MPa气态加氢站为主,储氢量更大的70MPa高压气态加氢站占比小。液氢加氢站、制氢加氢一体站的建设和运营经验不足。现阶段氢的运输主要以高压气态长管拖车运输为主,管道运输仍为短板弱项。目前共有氢气管道里程约400公里,在用管道仅100公里左右。管道运输还面临管材易发生氢脆现象造成氢气逃逸,未来仍需进一步提升管道材料的化学性能和力学性能。液态储氢技术和金属氢化物储氢技术等取得了较大进步,但储氢密度、安全性和成本之间的平衡关系尚未解决,离大规模商业化应用还有一定差距。

专门政策体系和多部门多领域协调合作机制尚不完善。《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》是首个国家层面的氢能发展规划,但专项规划以及政策体系仍需完善,未来需要进一步明确产业发展方向、目标和重点。氢能产业链涉及多种技术和行业领域,目前还存在跨领域协作不足,跨部门协调机制不够完善等问题。比如,加氢站建设需要资金、技术、基建以及危化品管制等多部门协作,目前存在主管部门不明确,审批难度较大,氢气属性仍仅为危化品等问题,对产业发展形成较大制约。

我们认为,技术、平台和人才是支持我国氢能产业发展的生长点。

首先,要持续提升关键核心技术水平。技术创新是氢能产业发展的核心。未来,我国将持续推进绿色低碳氢能制取、储存、运输和应用等各环节关键核心技术研发。加快推进质子交换膜燃料电池技术创新,开发关键材料,提高主要性能指标和批量化生产能力,持续提升燃料电池可靠性、稳定性、耐久性。着力推进核心零部件以及关键装备研发制造。加快提高可再生能源制氢转化效率和单台装置制氢规模,突破氢能基础设施环节关键核心技术。持续开展氢能安全基础规律研究。持续推动氢能先进技术、关键设备、重大产品示范应用和产业化发展,构建氢能产业高质量发展技术体系。

其次,要着力打造产业创新支撑平台。氢能产业的发展需聚焦重点领域和关键环节,构建多层次、多元化创新平台。支持高校、科研院所、企业加快建设重点实验室、前沿交叉研究平台,开展氢能应用基础研究和前沿技术研究。2022年年初,国家发展和改革委员会、教育部发布了《关于华北电力大学国家储能技术产教融合创新平台项目可行性研究报告的批复》,华北电力大学国家储能技术产教融合创新平台项目正式获批,成为首批“挂帅”高校。随后,华北电力大学氢能技术创新中心正式成立。创新平台和创新中心重点围绕电化学储能、氢能及其在电网中的应用技术等领域开展技术攻关,积极推动国家氢能产业的发展。

再次,要推动建设氢能专业人才队伍。氢能产业技术水平及规模不断取得突破,然而氢能产业正面临人才队伍的较大缺口,特别是高层次创新性人才严重缺乏。日前,华北电力大学申报的“氢能科学与工程”专业被正式列入普通高等学校本科专业目录,“氢能科学与工程”学科被列入新型交叉学科。该学科将以动力工程及工程热物理、化学工程等学科为牵引,有机融合制氢、氢储运、氢安全、氢动力等多个氢能模块课程,开展全方位跨学科基础及应用研究,将为实现我国能源结构安全转型,以及我国氢能行业和能源事业的发展提供有利的人才支撑。

(作者:杨勇平,系华北电力大学校长、教授)


 

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